수핵성형술용 형상기억합금(SMA) 액추에이터 와이어의 열처리 조건 변화가 온도제어 파라미터(t1)에 미치는 영향 Influence of Heat Treatment Conditions on Temperature Control Parameter ((t1) for Shape Memory Alloy (SMA) Actuator in Nucleoplasty원문보기
차세대 의료기기 시장을 변화시킬 것으로 기대되는 형상기억합금(SMA) 기반의 최소침습용 의료기기는 시술자의 손동작과 같은 유연성과 섬세함을 구현할 수 있는 장점이 있다. 그러나 SMA의 비선형 열전기적 특성으로 인해 SMA 기반 차세대 의료기기 엑추에이터는 자유로운 방향조종 구현이 제한적이고 상용화에 있어서 큰 한계성으로 작용한다. 본 논문은 SMA의 효과적인 온도제어를 위해 전류-온도간의 개방루프 계단응답을 분석하고 1차 미분방정식 해와 비교하여 온도제어에 필요한 파라미터$t_1$을 도출한 뒤 실험적으로 그 기능을 검증하였다. 또한 $t_1$은 전류를 입력으로 온도를 출력으로 하는 시불변 선형계의 특성함수의 폴(pole)이므로 주파수에 의한 온도제어에 관계된 파라미터인 것으로 나타났다. 본 논문의 결과는 SAM 기반의 차세대 의료기기 액추에이터의 효과적인 위치제어 설계에 응용될 수 있다.
차세대 의료기기 시장을 변화시킬 것으로 기대되는 형상기억합금(SMA) 기반의 최소침습용 의료기기는 시술자의 손동작과 같은 유연성과 섬세함을 구현할 수 있는 장점이 있다. 그러나 SMA의 비선형 열전기적 특성으로 인해 SMA 기반 차세대 의료기기 엑추에이터는 자유로운 방향조종 구현이 제한적이고 상용화에 있어서 큰 한계성으로 작용한다. 본 논문은 SMA의 효과적인 온도제어를 위해 전류-온도간의 개방루프 계단응답을 분석하고 1차 미분방정식 해와 비교하여 온도제어에 필요한 파라미터 $t_1$을 도출한 뒤 실험적으로 그 기능을 검증하였다. 또한 $t_1$은 전류를 입력으로 온도를 출력으로 하는 시불변 선형계의 특성함수의 폴(pole)이므로 주파수에 의한 온도제어에 관계된 파라미터인 것으로 나타났다. 본 논문의 결과는 SAM 기반의 차세대 의료기기 액추에이터의 효과적인 위치제어 설계에 응용될 수 있다.
Shape Memory Alloy (SMA) has recently received attention in developing implantable surgical equipments and it is expected to lead the future medical device market by adequately imitating surgeons' flexible and delicate hand movement. However, SMA actuators have not been used widely because of their ...
Shape Memory Alloy (SMA) has recently received attention in developing implantable surgical equipments and it is expected to lead the future medical device market by adequately imitating surgeons' flexible and delicate hand movement. However, SMA actuators have not been used widely because of their nonlinear behavior called hysteresis, which makes their control difficult. Hence, we propose a parameter, $t_1$, which is necessary for temperature control, by analyzing the open-loop step response between current and temperature and by comparing it with the values of linear differential equations. $t_1$ is a pole of the transfer function in the invariant linear model in which the input and output are current and temperature, respectively; hence, $t_1$ is found to be related to the state variable used for temperature control. When considering the parameter under heat treatment conditions, $T_{max}$ was found to assume the lowest value, and $t_1$ was irrelevant to the heat treatment.
Shape Memory Alloy (SMA) has recently received attention in developing implantable surgical equipments and it is expected to lead the future medical device market by adequately imitating surgeons' flexible and delicate hand movement. However, SMA actuators have not been used widely because of their nonlinear behavior called hysteresis, which makes their control difficult. Hence, we propose a parameter, $t_1$, which is necessary for temperature control, by analyzing the open-loop step response between current and temperature and by comparing it with the values of linear differential equations. $t_1$ is a pole of the transfer function in the invariant linear model in which the input and output are current and temperature, respectively; hence, $t_1$ is found to be related to the state variable used for temperature control. When considering the parameter under heat treatment conditions, $T_{max}$ was found to assume the lowest value, and $t_1$ was irrelevant to the heat treatment.
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문제 정의
SMA 와이어의 온도거동에 대한 연구는 효과적인 온도제어를 통한 SMA 기반 액추에이터의 위치조절에 목적이 있다. 이 목적을 달성하기 위해 제어 대상이 되는 시스템은 입력과 출력 특성을 나타내는 특성함수로 기술되어야 한다.
제안된 기존의 모델들(8,9)은 온도거동에만 제한을 두었기 때문에 제어용 파라미터를 도출할 수 없다는 문제점을 가지고 있었다. 따라서 본 연구에서는 수핵성형술용 액추에이터로 사용되는 SMA 와이어의 전류 입력, 온도 출력의 개방루프계를 설정하고 전류의 계단파를 주기적으로 인가함으로써 개방루프 계단응답 특성을 평가할 수 있었다. 이로부터 SMA 와이어의 고유 파라미터를 도출하고 온도조절을 위한 파라미터로 응용하였다.
다행히 최근 Cho 등(4)은 SMA의 구성방정식인 현상학적 모델(Brinson model)과 열-기계적 모델(Lagoudas model)을 이용한 전산 모사를 통해 SMA의 비선형적 거동을 컨트롤할 수 있는 방법을 개발한 바 있고, Kim 등(5)은 Modified Brinson 모델과 유한요소해석을 이용하여 SMA의 초탄성효과와 형상기억효과를 모사할 수 있는 알고리즘 개발에 성공한 바 있다. 또한 본 저자는 SMA의 반응속도 향상을 위한 펠티어 열전소자의 적용가능성에 대해 평가한 바 있다.(6) 그러나 SMA의 상변화를 동반한 온도반응속도 대비 인가 에너지의 비선형적 거동에 대한 효과적 제어는 SMA 기반 수술용 액추에이터 개발에 있어서 아직 해결하지 못한 분야이다.
본 연구에서는 기존의 수핵성형술용 직선형 카테터의 한계성을 극복하고 인체 내에서 선택적 방향제어가 가능한 SMA 액추에이터 방식의 카테터를 개발하기 위해 SMA 와이어의 고유 파라미터를 도출하고, 전류-온도의 관계를 시불변 선형계의 특성함수를 이용하여 주파수응답을 결정하는 요인에 대해 고찰하였다. 그 내용을 요약하면 다음과 같다.
가설 설정
13(ii)(a)~(e)에서 관찰된 사항을 종합해 보면 다음과 같다. (1) 온도상승 구간의 t1은 열처리에 따라 1초 내에 변화한다. (2) 온도하강 구간의 t1은 열처리 온도에 따라 1~4초 내에 변화한다.
(9) 먼저 식 (1)을 전개하기 위해 다음과 같은 가정을 설정하였다. (1) 유일한 가열 공급원(heating source)은 전력이다. (2) SMA 와이어의 온도분포는 균일하다.
(1) 유일한 가열 공급원(heating source)은 전력이다. (2) SMA 와이어의 온도분포는 균일하다. (3) 상변태(phase transition)가 포함된다.
(2) 온도하강 구간의 t1은 열처리 온도에 따라 1~4초 내에 변화한다. (3) t1은 전류가 클수록 감소한다.(4) 온도하강구간의 t1이 상승구간의 것보다 항상 높게 나타난다.
제안 방법
(1) 따라서 본 연구에서는 기존의 수핵성형술용 직선형 플라즈마니들의 한계성을 극복하기 위하여 Fig. 2와 같이 인체 내에서 선택적 방향제어가 가능한 형상기억합금(Shape Memory Alloy, 이하 SMA) 액추에이터 방식의 방향제어 캐뉼라 카테터를 개발하고 Fig. 3에 제시한 특허를 출원·등록하였다.
일반적으로 SMA 열처리 온도는 형상기억효과가 발생되는 최저온도인 350℃ (623K)부터 SMA 표면에서 급속한 산화현상이 발생되는 550℃(823K) 사이의 온도에서 결정된다.(10~12) 따라서 본 연구에서는 전기로(LAB House, PMF-3)를 이용하여 길이(L) 80mm의 SMA 시험편을 350℃(623K), 400℃(673K), 450℃(723K), 500℃(773K)의 네 가지 조건에서 30분간 열처리하였다. 열처리 후 SMA는 아크릴 플레이트(acrylic plate)에 고정하였고, SMA 양단에 전류를 인가하기 위해 컨덕팅 와이어 클립(conducting wire clip)을 이용하여 직류 전원공급기(DC power supply/ARRAY Electronics, 3644A)와 연결하였다.
(16) SMA 액추에이터 개발분야에서 파라미터 A1, t1, y0의 열처리 조건에 대한 변화를 고찰하는 것은 매우 의미있다. 따라서 본 연구에서는 SMA를 350~500℃(623~773K) 조건에서 30분간 열처리하였다. 전류에 따른 최대온도(Tmax)는 Fig.
이로부터 SMA 와이어의 고유 파라미터를 도출하고 온도조절을 위한 파라미터로 응용하였다. 또한, 시불변 선형계의 특성 함수를 이용하여 전류-온도 관계 및 주파수응답을 결정하는 요인에 대해 고찰하였다.
t1은 SMA 와이어의 특정온도 도달시간 측정 척도이고 전류-온도간 선형계의 자연주파수이므로 열처리에 따른 변화를 고찰하는 것은 중요하다. 본 연구에서는 열처리온도를 350~500℃(623~773K)로 제한하였고, 열처리시간은 30분으로 고정하였다. 열처리 후 t1의 전류에 따른 변화는 Fig.
본 절에서는 전류에 따른 온도거동의 평가를 통해 SMA 와이어의 열전기적 특성 파라미터들을 도출하고, 각 파라미터들에 대한 물리적 의미를 부여하였다. Fig.
그 내용을 요약하면 다음과 같다. 시간영역 개방루프 상에서 SMA 와이어의 전류-온도관계를 분석하였다. 온도의 계단응답을 분석하고 1차 상미분방정식의 해를 이용하여 제어 파라미터 A1, t1, y0를 구분해 내었다.
앞 절에서 언급한 전류에 따른 온도거동을 온도 상승구간과 온도하강구간으로 분리한 후 더욱 상세한 분석을 수행하기 위해 전류 ON 사이클 데이터를 분리하여 평균값을 취하고, Fig. 7과 같은 온도상승곡선을 유도하였다. Fig.
(10~12) 따라서 본 연구에서는 전기로(LAB House, PMF-3)를 이용하여 길이(L) 80mm의 SMA 시험편을 350℃(623K), 400℃(673K), 450℃(723K), 500℃(773K)의 네 가지 조건에서 30분간 열처리하였다. 열처리 후 SMA는 아크릴 플레이트(acrylic plate)에 고정하였고, SMA 양단에 전류를 인가하기 위해 컨덕팅 와이어 클립(conducting wire clip)을 이용하여 직류 전원공급기(DC power supply/ARRAY Electronics, 3644A)와 연결하였다. 이후 SMA에 인가된 전류는 0.
시간영역 개방루프 상에서 SMA 와이어의 전류-온도관계를 분석하였다. 온도의 계단응답을 분석하고 1차 상미분방정식의 해를 이용하여 제어 파라미터 A1, t1, y0를 구분해 내었다. 그 중 t1은 목표도달시간을 결정해주는 파라미터이며 온도 상승과 하강 시 상이한 값을 갖는데 이는 보고된 h = a0 + a1I 관계 때문임이 확인되었다.
이때 저항(Ω)은 디지털 멀티미터(GW INSTEK, GDM-8251)의 프로브를 SMA 와이어의 양단 끝에 접촉시켜 1Ω/sec 단위로 측정하였고, 온도는 K-타입의 써모커플과 온도데이터 저장기(EXTECH Instrument, EasyViewTM, EA15)를 이용하여 1초 단위로 데이터를 수집하였다.
따라서 본 연구에서는 수핵성형술용 액추에이터로 사용되는 SMA 와이어의 전류 입력, 온도 출력의 개방루프계를 설정하고 전류의 계단파를 주기적으로 인가함으로써 개방루프 계단응답 특성을 평가할 수 있었다. 이로부터 SMA 와이어의 고유 파라미터를 도출하고 온도조절을 위한 파라미터로 응용하였다. 또한, 시불변 선형계의 특성 함수를 이용하여 전류-온도 관계 및 주파수응답을 결정하는 요인에 대해 고찰하였다.
열처리 후 SMA는 아크릴 플레이트(acrylic plate)에 고정하였고, SMA 양단에 전류를 인가하기 위해 컨덕팅 와이어 클립(conducting wire clip)을 이용하여 직류 전원공급기(DC power supply/ARRAY Electronics, 3644A)와 연결하였다. 이후 SMA에 인가된 전류는 0.5A~2.5A까지 0.5A간격으로 증가시켜 가열과 냉각을 각각 60초씩 3사이클의 주기로 수행하였다. 전류 인가 시 SMA 내부온도의 상승 및 하강 구간에서 내부저항(Ω) 및 온도(K) 데이터를 PC로 수집하였다.
대상 데이터
전류에 의한 SMA 가열 후 냉각은 자연냉각식을 취하였다. 1회 주기는 2분이고, 전류 인가로부터 냉각 종료시점까지의 한 주기 당 120개의 데이터를 수집하였다.
본 연구에서 적용한 SMA는 Sumitomo Metal사에서 제조된 직경(d) 0.44mm의 와이어(KSM-SM alloy)로 Ni-Ti성분은 50.2%Ni-49.8%Ti이고, 기계적 특성은 Table 1과 같다. Table 1은 SMA 제조사에서 제공한 자료이다.
전류 인가 시 SMA 내부온도의 상승 및 하강 구간에서 내부저항(Ω) 및 온도(K) 데이터를 PC로 수집하였다.
성능/효과
(1) 온도상승 구간의 t1은 열처리에 따라 1초 내에 변화한다. (2) 온도하강 구간의 t1은 열처리 온도에 따라 1~4초 내에 변화한다. (3) t1은 전류가 클수록 감소한다.
(3) t1은 전류가 클수록 감소한다.(4) 온도하강구간의 t1이 상승구간의 것보다 항상 높게 나타난다. (5) 온도상승구간과 하강구간의 t1사이에는 오프셋이 존재한다.
9의 결과를 이용하여 A1, t1, y0을 식 (2)에 대입하였고, 전류인가시간 t=5초를 얻어낼 수 있었다. 계산된 5초를 인가하여 목표온도 75℃(348K)에 도달 했을 때 1초 간격으로 ON/OFF를 반복하면 온도가 유지되는 것을 관찰할 수 있었다.
12와 같다. 열처리는 최대온도(Tmax)를 증가시키는 것으로 나타났으며 온도증가량은 전류의 크기가 클수록 증가하였다. 온도범위 내에서 고찰해 보면 350℃(623K)에서 열처리한 SMA 와이어의 최대온도(Tmax)가 가장 높았고 450℃(723K)에서 열처리한 SMA 와이어는 최소값을 나타냈다.
또한 t1은 시불변 개방루프계의 특성함수 값을 최대로 하며, 전류의 주파수는 온도제어에 관련되어있는 것으로 나타났다. 열처리와 파라미터 사이의 관계에서는 특정온도에서 최소값의 Tmax를 갖는 경향을 관찰할 수 있었으며 복잡한 등고선을 갖는 t1(T,t)으로부터 최적화된 열처리 조건을 찾을 수 있었다.
5A 단계씩 전류를 증가시켜 SMA 와이어에 인가시켰을 때 ON/OFF 사이클 마다 규칙적인 온도거동이 관찰되었다. 전류는 ON일 때 일정시간 경과 후 최대온도(Tmax)에 도달하였으며 OFF일 때에는 상온온도(Ta)로 복원하는 형태를 반복하였다. Fig.
5의 온도거동을 정확하게 기술하는 피팅모델(식(2))을 설정하여 그 파라미터들을 식 (1)의 해와 관련지어 물리적 의미를 도출할 수 있었다. 즉, 전류를 인가할 때 SMA는 전류의 제곱에 비례하는 최대온도(Tmax)에 도달하였고 최대온도(Tmax)까지의 도달시간을 온도제어 파라미터인 t1으로 유추할 수 있었다. t1은 전류의 크기에 따라 반비례하므로 SMA 와이어를 특정온도로 신속하게 변화시키기 위해서 가장 적합한 전류인가량을 예측할 수 있다.
(2,3) SMA를 액추에이터로 적용한 이유는 인간의 손동작과 같은 유연성과 섬세한 움직임을 SMA의 형상기억효과로 구현할 수 있고 시술자의 정교한 최소침습술 테크닉을 그대로 인체내 병변치료에 적용할 수 있기 때문이다. 특히 본 연구에서 적용한 Ni-Ti계 SMA는 성분비의 조절에 의해 상변이 온도를 조절할 수 있고, 비중이 작기 때문에 액추에이터의 구조를 단순화할 수 있고 스파크가 없고 조용한 구동을 가능하게 하므로 매우 효율적인 수술용 소형 작동기를 제작할 수 있다. 그러나 SMA의 비선형적 거동과 큰 히스테리시스는 SMA 액추에이터 개발의 가장 큰 장애물이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선택적 방향제어가 가능한 형상기억합금을 액추에이터로 선택한 이유는 무엇인가?
3에 제시한 특허를 출원·등록하였다.(2,3) SMA를 액추에이터로 적용한 이유는 인간의 손동작과 같은 유연성과 섬세한 움직임을 SMA의 형상기억효과로 구현할 수 있고 시술자의 정교한 최소침습술 테크닉을 그대로 인체내 병변치료에 적용할 수 있기 때문이다. 특히 본 연구에서 적용한 Ni-Ti계 SMA는 성분비의 조절에 의해 상변이 온도를 조절할 수 있고, 비중이 작기 때문에 액추에이터의 구조를 단순화할 수 있고 스파크가 없고 조용한 구동을 가능하게 하므로 매우 효율적인 수술용 소형 작동기를 제작할 수 있다.
형상기억합금(SMA) 기반의 최소침습용 의료기기의 장점은 무엇인가?
차세대 의료기기 시장을 변화시킬 것으로 기대되는 형상기억합금(SMA) 기반의 최소침습용 의료기기는 시술자의 손동작과 같은 유연성과 섬세함을 구현할 수 있는 장점이 있다. 그러나 SMA의 비선형 열전기적 특성으로 인해 SMA 기반 차세대 의료기기 엑추에이터는 자유로운 방향조종 구현이 제한적이고 상용화에 있어서 큰 한계성으로 작용한다.
SMA의 비선형 열전기적 특성으로 인해 생기는 문제는 무엇인가?
차세대 의료기기 시장을 변화시킬 것으로 기대되는 형상기억합금(SMA) 기반의 최소침습용 의료기기는 시술자의 손동작과 같은 유연성과 섬세함을 구현할 수 있는 장점이 있다. 그러나 SMA의 비선형 열전기적 특성으로 인해 SMA 기반 차세대 의료기기 엑추에이터는 자유로운 방향조종 구현이 제한적이고 상용화에 있어서 큰 한계성으로 작용한다. 본 논문은 SMA의 효과적인 온도제어를 위해 전류-온도간의 개방루프 계단응답을 분석하고 1차 미분방정식 해와 비교하여 온도제어에 필요한 파라미터 $t_1$을 도출한 뒤 실험적으로 그 기능을 검증하였다.
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